宋璇坤，韓柳，鞠黃培，陳煒，彭竹弈，黃飛

(1.國網(wǎng)北京經(jīng)濟技術(shù)研究院，北京市 102209；2.天津大學，天津市 300072)

中國智能電網(wǎng)技術(shù)發(fā)展實踐綜述

宋璇坤1，韓柳1，鞠黃培2，陳煒1，彭竹弈1，黃飛1

(1.國網(wǎng)北京經(jīng)濟技術(shù)研究院，北京市 102209；2.天津大學，天津市 300072)

智能電網(wǎng)是世界范圍內(nèi)能源和經(jīng)濟發(fā)展的必然趨勢，我國自2009年提出建設(shè)智能電網(wǎng)以來，在該領(lǐng)域取得了豐碩的研究成果與實踐經(jīng)驗，獲得了國際社會的廣泛關(guān)注。從接納可再生能源、智能輸變電、智能配用電、智能調(diào)度控制系統(tǒng)、通信信息支撐平臺五大領(lǐng)域出發(fā)，系統(tǒng)評述了我國在新能源并網(wǎng)預(yù)測、儲能、智能變電站、輸電線路防災(zāi)減災(zāi)、柔性直流輸電、配電自動化、分布式電源接入與微電網(wǎng)、智能用電、配用電綜合示范、智能調(diào)度控制系統(tǒng)、通信網(wǎng)和信息平臺12個方向應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)與示范工程，并對比分析了國外同類技術(shù)的發(fā)展水平，展望了各項技術(shù)的未來發(fā)展趨勢。

智能電網(wǎng)；可再生能源；智能輸變電；智能配用電；智能調(diào)度控制系統(tǒng)；通信信息支撐平臺

0 引 言

智能電網(wǎng)是將信息技術(shù)、通信技術(shù)、計算機技術(shù)、先進的電力電子技術(shù)、可再生能源發(fā)電技術(shù)和原有的輸配電基礎(chǔ)設(shè)施高度集成的新型電網(wǎng)，被世界各國視為推動經(jīng)濟發(fā)展和產(chǎn)業(yè)革命，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的新基礎(chǔ)和新動力[1]。國際上，智能電網(wǎng)提出的背景和驅(qū)動力主要來自4個方面：(1)應(yīng)對風能、太陽能等可再生能源發(fā)電規(guī)?？焖僭鲩L的挑戰(zhàn)；(2)適應(yīng)電動汽車、分布式電源等用電結(jié)構(gòu)的變化；(3)電網(wǎng)設(shè)備老化和更新?lián)Q代的需要；(4)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟向以能源體系為代表的實體經(jīng)濟滲透和新產(chǎn)業(yè)革命的推動[2]。

2009年，隨著智能電網(wǎng)熱潮的興起，國家電網(wǎng)公司和南方電網(wǎng)公司均提出并制訂了智能電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃并全面推進。我國智能電網(wǎng)建設(shè)分為發(fā)展起步階段(2009—2010年)、全面建設(shè)階段(2011—2020年)和完善提升階段(2021—2025年)，涵蓋了發(fā)電、輸電、變電、配電、用電、調(diào)度各個領(lǐng)域。至2014年底，國家電網(wǎng)公司累計安排智能電網(wǎng)項目38類358項，其中建成32類305項，電網(wǎng)自動化、互動化、信息化水平大幅提升，在支撐可再生能源的充分消納，提升輸配電網(wǎng)絡(luò)的柔性控制能力，滿足用戶多元化負荷需求，保障電網(wǎng)安全、清潔、經(jīng)濟、高效運行方面成效顯著。我國在智能電網(wǎng)實踐中重點攻克了接納大規(guī)?？稍偕茉础⒅悄茌斪冸?、智能配用電、智能調(diào)度控制系統(tǒng)、通信與信息支撐平臺五大領(lǐng)域的一系列重大科學技術(shù)問題，取得了豐碩的研究成果與實踐經(jīng)驗。

1 接納可再生能源關(guān)鍵技術(shù)

至2014年底，我國風電裝機容量9 581萬kW，居世界第一，光伏裝機容量2 652萬kW，僅次于德國，居世界第二。我國約80%的風電分布在東北、西北、華北“三北”區(qū)域，約60%的光伏分布在西北區(qū)域，大規(guī)模的可再生能源難以就地消納，需發(fā)展遠距離、大容量輸電技術(shù)，將清潔電力輸送到中東部負荷中心。除了發(fā)展特高壓交直流輸電技術(shù)外，解決間歇式能源的預(yù)測預(yù)報以及能量存儲技術(shù)，對接納大規(guī)模可再生能源具有重要意義[3]。

1.1 新能源并網(wǎng)預(yù)測技術(shù)

國外從20世紀90年代開始新能源功率預(yù)測的研究與應(yīng)用工作。最早的研究單位是丹麥Ris?國家實驗室，隨后，德國、西班牙、美國等新能源發(fā)展較快的國家也開展了相關(guān)研究。新能源預(yù)測基于歷史數(shù)據(jù)、數(shù)值天氣預(yù)報、實時氣象及功率數(shù)據(jù)等，國外各研究機構(gòu)相繼提出了物理預(yù)測方法、統(tǒng)計預(yù)測方法和混合預(yù)測方法，并將其進行了廣泛應(yīng)用[4]。

風電場的出力預(yù)測方法可根據(jù)不同角度進行劃分。按風電場出力預(yù)測時間尺度劃分，可分為長期、中期、短期以及超短期預(yù)測；按預(yù)測范圍劃分，可分為單機、風電場及風電區(qū)域預(yù)測等。風速統(tǒng)計預(yù)測方法有[5-7]時間序列法[8]、卡爾曼濾波法[9]、威布爾分布法[10-11]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[12-13]等。

光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電預(yù)測模型有徑向基函數(shù)模型[14-15]、自回歸滑動平均模型(auto-regressive and moving average，ARMA)[16]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型[17]、多層感知模型[18]以及基于灰色理論的預(yù)測模型等[19-20]。

我國新能源預(yù)測起步較晚，但發(fā)展迅速。在風電預(yù)測技術(shù)方面，中國電力科學研究院研發(fā)了風電功率預(yù)測系統(tǒng)，短期、超短期預(yù)測平均誤差低于9%，處于國際領(lǐng)先水平；在太陽能發(fā)電預(yù)測技術(shù)方面，中國電力科學研究院提出了考慮云層遮擋的預(yù)測方法，實現(xiàn)了超短期功率快速波動預(yù)測，預(yù)測誤差總體小于10%。至2014年底，國家電網(wǎng)公司在20個省市自治區(qū)部署了風功率預(yù)測系統(tǒng)，在甘肅、寧夏和青海部署了光伏發(fā)電功率預(yù)測系統(tǒng)。此外，在間歇式分布式電源發(fā)電裝機超過當?shù)啬曜畲筘摵?%的地市部署了分布式電源功率預(yù)測系統(tǒng)[21]。

未來新能源并網(wǎng)預(yù)測技術(shù)將著力提高數(shù)值天氣預(yù)報精度，重點研究能夠詳細模擬新能源開發(fā)區(qū)域局地效應(yīng)的數(shù)值天氣預(yù)報動力降尺度方法、多維觀測數(shù)據(jù)快速同化方法、邊界層參數(shù)化方案優(yōu)化等。同時，研究面向新能源集群的集群預(yù)測算法，解決單個新能源場站預(yù)測算法無法快速滿足全面覆蓋大型新能源基地的建模需求。此外，針對分布式新能源的快速發(fā)展，重點研究智能建模和在線優(yōu)化等技術(shù)[22]。

1.2 儲能技術(shù)

儲能技術(shù)對解決大規(guī)?？稍偕茉窗l(fā)電接入具有戰(zhàn)略意義[23]。儲能技術(shù)主要有機械儲能、電磁儲能、電化學儲能和相變儲能4類[24]。

常見的機械儲能包括抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能等。抽水蓄能是最傳統(tǒng)的機械儲能方式，目前已有100多年的歷史，2014年我國抽水蓄能總裝機容量達2 181萬kW。我國目前還未有大容量的壓縮空氣儲能投入運行，國外目前已有2座大型電站投入商業(yè)運行，分別在德國和美國。目前，美國在建全球最大的第3家壓縮空氣儲能發(fā)電廠，裝機容量達270萬kW[25]。

電化學儲能的特點是功率和能量可根據(jù)不同應(yīng)用需求靈活配置，響應(yīng)速度快，不受地理資源等外部條件限制，適合大規(guī)模應(yīng)用和批量化生產(chǎn)，但目前還存在使用壽命短、成本高等問題。常見的電化學儲能有鋰離子電池、液流電池、鈉硫電池、鉛酸電池、氫儲能等。目前，我國各類型電池儲能均有示范應(yīng)用，表1列出了我國主要的儲能示范工程。遼寧臥牛石風電場安裝了全球最大的全釩液流電池儲能系統(tǒng)。我國電解水制氫技術(shù)的基礎(chǔ)較好，氫儲能技術(shù)還處于研究階段，尚未實用化運營，而日本和德國在氫燃料電池汽車領(lǐng)域已經(jīng)進入了商業(yè)化階段[26]。

電磁儲能包括超導(dǎo)電磁儲能、超級電容器等。電磁儲能能夠長時間、無損耗地儲存能量，儲能密度高，響應(yīng)時間為ms級，轉(zhuǎn)換效率大于95%，無限次循環(huán)充放電，但其成本高昂[27]。

相變儲能包括熔融鹽儲能、冰蓄冷、蓄熱電鍋爐儲能等。以熔融鹽或熱作為儲能介質(zhì)的工程在我國新能源資源豐富的西北和東北地區(qū)均有示范應(yīng)用[28]。

總體而言，儲能技術(shù)在我國的發(fā)展還不成熟，儲能技術(shù)的戰(zhàn)略性地位及其前沿科學的屬性決定儲能技術(shù)研發(fā)過程的長期性和持續(xù)性。儲能本體技術(shù)是實現(xiàn)儲能創(chuàng)新突破的核心，其又是制約儲能系統(tǒng)大規(guī)模應(yīng)用的瓶頸，需研制長壽命、低成本、高安全的儲能用電池，重點突破如何增強和提高儲能期間的能量密度、功率密度、響應(yīng)時間、儲能效率等問題。儲能技術(shù)中的綜合評價是實現(xiàn)市場化與規(guī)?；谋匾獥l件，需要建立儲能檢測和評價體系。我國規(guī)劃到2030年，建成示范分布式儲能電站集群、 MW級氫儲能系統(tǒng)和GW級化學儲能系統(tǒng)[29-30]。

表1 我國主要儲能示范工程
Table 1 Main energy storage demonstration projects in China

2 智能輸變電技術(shù)

輸電和變電環(huán)節(jié)是電網(wǎng)傳輸與功率轉(zhuǎn)換的重要環(huán)節(jié)，其智能化建設(shè)是提升電網(wǎng)公司運營管理效率的重要手段，一直以來是電網(wǎng)公司智能電網(wǎng)建設(shè)的重點。

2.1 智能變電站

變電站是電網(wǎng)中重要的參量采集點和管控執(zhí)行點。我國在2006年建設(shè)了以應(yīng)用IEC61850標準和電子互感器為特征的“數(shù)字化變電站”。2009年，以兩批智能變電站試點工程為標志，我國進入智能變電站階段。2013年，啟動建設(shè)6座新一代智能變電站，代表了我國智能變電站的最高水平。國外雖尚未提出智能變電站的概念，但也逐漸向智能化發(fā)展。電子式互感器已有40多年的歷史，其中ABB公司有60余套光學互感器掛網(wǎng)運行；變電站自動化系統(tǒng)應(yīng)用了IEC61850標準；智能分析采用狀態(tài)監(jiān)測、設(shè)備故障診斷專家系統(tǒng)等技術(shù)對重要電力設(shè)備進行全壽命周期管理[31]。

現(xiàn)階段，我國的智能變電站以設(shè)備集成化、采集數(shù)字化、傳輸網(wǎng)絡(luò)化、分析智能化為特征，智能變電站整體技術(shù)，尤其是統(tǒng)一全站信息規(guī)范、與電網(wǎng)協(xié)同互動、設(shè)備集成創(chuàng)新等方面均處于國際領(lǐng)先地位。我國智能變電站在國際上首創(chuàng)了就地級—站域級—廣域級層次化保護控制系統(tǒng)[32]，構(gòu)建了信息集成、決策智能的一體化業(yè)務(wù)系統(tǒng)，提出了模塊化預(yù)制、插拔式連接、裝配式安裝的變電站建設(shè)新模式；在國際上首次研制成功站域保護控制裝置、智能集成二次設(shè)備、時延標記交換機、集成電子互感器的隔離斷路器等新型裝備。

至2014年底，國家電網(wǎng)公司已建成110～750 kV智能變電站1 527座。智能變電站在減少占地面積及建筑面積，提升建設(shè)效率，降低運維成本，節(jié)能環(huán)保等方面效果顯著。110～750 kV戶外AIS(air insulated substation)智能站比常規(guī)站平均節(jié)約占地面積10%，節(jié)約建筑面積26%，節(jié)約電纜64%，減少電纜溝混凝土量30%，減少二次屏柜34%，縮短建設(shè)工期40%，較常規(guī)變電站全壽命周期成本減少1%～3%。

近期，將重點推廣電子互感器、集成式隔離斷路器在我國變電站的應(yīng)用范圍，攻克電子互感器長期運行不穩(wěn)定的難題，進一步優(yōu)化提升二次系統(tǒng)的性能及集成度。遠期，將圍繞“新型設(shè)備、新式材料、新興技術(shù)”，構(gòu)建基于電力電子技術(shù)和超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用的智能變電站，通過不斷融合前瞻性技術(shù)理念，研制超導(dǎo)變壓器、超導(dǎo)限流器、電力電子變壓器、固態(tài)開關(guān)、光子保護裝置等新型設(shè)備，實現(xiàn)持續(xù)創(chuàng)新[33]。

2.2 輸電線路防災(zāi)減災(zāi)技術(shù)

近年來，雷電、冰災(zāi)、山火等自然災(zāi)害頻發(fā)，導(dǎo)致輸電線路停電故障概率增大。雷電定位及預(yù)警、覆冰監(jiān)測預(yù)警及融冰、山火監(jiān)測預(yù)警等輸電線路防災(zāi)減災(zāi)系統(tǒng)對保證輸電線路安全運行發(fā)揮了重要作用[34]。

我國是繼美國后第2個在雷電定位系統(tǒng)(lightning location system，LLS)技術(shù)領(lǐng)域擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的國家。自1993年第1套國產(chǎn)LLS在安徽電網(wǎng)投入工程運用以來，LLS已覆蓋我國32個省份電網(wǎng)及絕大部分國土面積，并于2006年實施了全國聯(lián)網(wǎng)。我國LLS已實現(xiàn)了電網(wǎng)雷擊閃絡(luò)檢測率>90%、定位誤差<1 km的實用化指標，雷電監(jiān)測網(wǎng)規(guī)模和水平居世界領(lǐng)先地位[35-36]。LLS是對正在發(fā)生的雷云放電的實時測量，為提前掌握雷電運動發(fā)展趨勢，國家電網(wǎng)公司開發(fā)建立了雷電預(yù)警系統(tǒng)，可為監(jiān)測保護對象提供2 h以上的雷電預(yù)報以及15～30 min的高精度雷電災(zāi)害風險預(yù)警。調(diào)度及運維單位可根據(jù)預(yù)警信息，事前采用調(diào)整運行方式等措施，減少因雷電產(chǎn)生的停電損失。雷電預(yù)警系統(tǒng)首個試點工程于2013年在江蘇省投運，“十三五”期間，將針對重要變電站及輸電通道建成10個以上地區(qū)的區(qū)域性雷電預(yù)警網(wǎng)絡(luò)，并進行全國聯(lián)網(wǎng)。

電網(wǎng)冰害整體解決方案是指綜合“抗、防、融、除”等技術(shù)措施，系統(tǒng)應(yīng)對電網(wǎng)冰害的綜合解決方案[37]。國外覆冰嚴重的國家如俄羅斯、加拿大、美國、日本、英國、芬蘭和冰島等，較早開展了輸電線路防治冰害的研究與應(yīng)用。我國自2008年冰災(zāi)以來，在冰害防治方面發(fā)展迅速，工程應(yīng)用效果顯著，至2014年，“覆冰自動監(jiān)測系統(tǒng)”已推廣應(yīng)用1 000多套，并開展了特高壓線路沿線氣象觀測工作?！皣译娋W(wǎng)輸電線路覆冰預(yù)測預(yù)警中心”已經(jīng)在四川、重慶、湖南等9個省市開展了電網(wǎng)覆冰長期、中期和短期預(yù)測預(yù)報工作。直流融冰裝置已推廣應(yīng)用43套，特高壓直流融冰裝置已經(jīng)在湖南試驗成功，農(nóng)配網(wǎng)移動式、便攜式、固定式等融冰裝置已推廣應(yīng)用60套，變電站帶電熱力除冰裝置已推廣應(yīng)用30套，機械震動除冰在河南500 kV姚白線進行了應(yīng)用?！笆濉逼陂g，將在特高壓線路重點推廣應(yīng)用直流融冰裝置，在重覆冰區(qū)重要線路全面實施電網(wǎng)冰害防治技術(shù)。

國內(nèi)外一直沒有與電網(wǎng)結(jié)合的山火監(jiān)測預(yù)警技術(shù)[38]。2009年，國家電網(wǎng)公司率先開發(fā)了基于衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的輸電線路山火監(jiān)測系統(tǒng)，并成功應(yīng)用于湖南電網(wǎng)[39]。2013年，國家電網(wǎng)公司在湖南省成立輸電線路山火監(jiān)測預(yù)警中心，建設(shè)衛(wèi)星直收地面接收站。我國山火預(yù)報及實時監(jiān)測各項技術(shù)指標世界領(lǐng)先，山火預(yù)報和火點識別的準確率分別達到92%和90%，均可定位到具體線路桿塔，紅外衛(wèi)星接收的監(jiān)測間隔縮短到20 min。在山火滅火技術(shù)方面，我國研制成功高效防復(fù)燃滅火液和便攜式高壓細水霧滅火機，防復(fù)燃能力達95%，在國際上首創(chuàng)帶電遠距離高揚程移動滅火平臺，舉高上限達500 m，可實現(xiàn)高壓輸電線路帶電滅火，防山火裝備已在湖南省配備100余套，成功撲救130余起線路山火，避免了多條重要線路山火跳閘事故的發(fā)生[40]。“十三五”期間，我國將在山火高發(fā)的12省份建立輸電線路山火監(jiān)測預(yù)警子系統(tǒng)，并建成國家電網(wǎng)公司全網(wǎng)輸電線路山火監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。

2.3 柔性直流輸電技術(shù)

柔性直流輸電是以電壓源型換流器、可關(guān)斷器件和脈寬調(diào)制技術(shù)為基礎(chǔ)的新一代直流輸電技術(shù)，被CIGRE和IEEE命名為電壓源換流器型直流輸電(voltage source converter based high voltage direct current，VSC-HVDC)。柔性直流輸電技術(shù)非常適用于可再生能源并網(wǎng)、分布式發(fā)電并網(wǎng)、孤島供電、城市電網(wǎng)供電和異步交流電網(wǎng)互聯(lián)等領(lǐng)域[41]。

柔性直流技術(shù)以其有功無功獨立調(diào)節(jié)、無源供電能力以及易于構(gòu)建直流電網(wǎng)等特點，受到世界范圍的廣泛關(guān)注。至2012底，來自于歐洲、美洲、亞洲、大洋洲、非洲的16個國家共有13個柔性直流輸電工程投運，其中4個工程用于風電接入；6個工程用于電網(wǎng)互聯(lián)；1個工程用于大型城市供電；2個工程用于海上鉆井平臺供電。我國柔性直流輸電技術(shù)的研究始于2005年，2011年6月我國首個柔性直流輸電示范工程——上海南匯風電場并網(wǎng)工程投運，2014年投運的舟山五端直流是目前世界上端數(shù)最多的柔性直流輸電系統(tǒng)，2015年投運的廈門±320 kV柔性直流工程是目前世界上首次采用真雙極接線，且電壓等級最高，輸送容量最大的高壓柔性直流輸電系統(tǒng)。表2為我國主要的柔性直流輸電示范工程。

表2 我國主要的柔性直流輸電示范工程
Table 2 Major flexible DC transmission demonstration projects in China

未來柔性直流技術(shù)的主要發(fā)展方向為高壓大容量柔性直流、直流電網(wǎng)及架空線柔性直流輸電技術(shù)等。未來柔性直流的容量水平提升，將主要集中于研制更高電壓等級XLPE直流電纜、新型SiC大容量電力電子器件，以及應(yīng)用新的換流器系統(tǒng)拓撲等方面。直流電網(wǎng)及架空線柔性直流技術(shù)還需重點研發(fā)新的換流器拓撲結(jié)構(gòu)及研制直流斷路器以解決直流線路故障隔離問題，同時直流電網(wǎng)還需要研發(fā)直流變壓器以解決不同電壓等級直流電網(wǎng)聯(lián)結(jié)問題[42]。

3 智能配用電技術(shù)

配用電系統(tǒng)作為電力系統(tǒng)到用戶的最后一個環(huán)節(jié)，與用戶聯(lián)系最為密切，是保證供電質(zhì)量、提高運行效率、創(chuàng)新用戶服務(wù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在智能電網(wǎng)建設(shè)中受到國內(nèi)外的普遍關(guān)注。

3.1 配電自動化系統(tǒng)(distribution automation system，DAS)

配電自動化技術(shù)在國外發(fā)達國家經(jīng)過長期的應(yīng)用而比較成熟，其中法國、日本的配電自動化覆蓋率分別達到90%、100%。日本配電自動化系統(tǒng)主要強調(diào)實用，重點關(guān)注故障的快速定位與隔離功能；歐美配電自動化系統(tǒng)側(cè)重于建設(shè)功能強大的配電管理系統(tǒng)(distribution management system，DMS)，在主站端具備較多的高級應(yīng)用和管理功能。日本配電網(wǎng)主要依賴就地重合器進行故障處理；法國配電網(wǎng)開關(guān)遙控率并不高，主要采用調(diào)度員遙控開關(guān)與現(xiàn)場人員就地操作開關(guān)相結(jié)合的方式縮小故障隔離區(qū)域。法國50%以上的故障恢復(fù)供電時間不超過3 min，韓國故障恢復(fù)時間為6 min。

我國配電網(wǎng)基礎(chǔ)較薄弱，DAS起步較晚[43]。至2014年底，國家電網(wǎng)公司DAS總體覆蓋率為12.6%，覆蓋了78個地市，共2.7萬條10 kV線路，主要集中在網(wǎng)架結(jié)構(gòu)成熟的城市中心區(qū)，其中A+、A類供電區(qū)域覆蓋率分別為53.4%、31.5%，B、C、D類供電區(qū)域分別為11.7%、8.4%、2.8%。DAS建成區(qū)域平均倒閘操作時間由投運前的36.9 min縮短至8.3 min，非故障區(qū)域平均恢復(fù)供電時間由投運前的81 min縮短至11.4 min。

目前我國配電自動化總體覆蓋率偏低，還未實現(xiàn)規(guī)模效應(yīng)。我國規(guī)劃在“十三五”期間大面積提升配電自動化覆蓋范圍，2020年總體覆蓋率達到100%。我國DAS建設(shè)包括配電自動化主站、配電終端、饋線自動化(feeder automation，F(xiàn)A)、通信通道建設(shè)[43]。規(guī)劃的總體建設(shè)原則為DAS主站主要為地縣一體化模式，并建設(shè)DAS信息交換總線，實現(xiàn)與電力系統(tǒng)能量管理系統(tǒng)(energy management system，EMS)、生產(chǎn)管理系統(tǒng)(production management system，PMS)、地理信息系統(tǒng)(geographic information system，GIS)、營銷、調(diào)度等系統(tǒng)平臺的數(shù)據(jù)共享與信息交換，滿足調(diào)度控制、故障研判、搶修指揮等業(yè)務(wù)要求。各類供電區(qū)域配電自動化差異化配置，在A+類供電區(qū)域采用“三遙”終端與光纖通信方式，建設(shè)全自動集中式或智能分布式饋線自動化，實現(xiàn)故障快速處理；A、B類供電區(qū)域采用“三遙”、“標準型二遙”、“動作型二遙”終端，建設(shè)集中式、智能分布式或就地型重合器式饋線自動化，有效縮短故障停電時間；C、D類供電區(qū)域主要采用“標準型二遙”、“基本型二遙(故障指示器)”終端，以實現(xiàn)故障監(jiān)測功能為主，并根據(jù)實際需求建設(shè)就地型重合器式饋線自動化。

3.2 分布式電源接入與微電網(wǎng)技術(shù)

至2014年底，國家電網(wǎng)公司經(jīng)營區(qū)域內(nèi)已并網(wǎng)運行的分布式電源裝機容量380.1萬kW，其中分布式光伏裝機最大，達到249.7萬kW，約占66%。我國已經(jīng)成為世界上分布式電源發(fā)展最快的國家之一，但我國分布式電源裝機占電源總裝機容量的比例僅為0.36%，遠遠低于世界水平。國際上，丹麥、挪威、芬蘭等國家的分布式發(fā)電裝機占比已接近或超過50%，日本分布式發(fā)電裝機占比達13.4%[44]。

隨著分布式電源的大量接入，“主動配電網(wǎng)”概念應(yīng)運而生，主動配電網(wǎng)是解決高滲透率的分布式電源接入的關(guān)鍵技術(shù)，包含柔性組網(wǎng)技術(shù)、保護技術(shù)、儲能技術(shù)、能量管理技術(shù)、即插即用技術(shù)、電能質(zhì)量控制技術(shù)等。國內(nèi)主動配電網(wǎng)總體來講處于起步研究階段，依托國家863項目，在建與建成的4個主動配電網(wǎng)示范工程為廣東佛山三水區(qū)、北京未來科技城、福建海西廈門島、貴陽清鎮(zhèn)紅楓供電區(qū)。

根據(jù)國家電網(wǎng)公司規(guī)劃，通過對配電網(wǎng)的建設(shè)改造，2020年我國110 kV及以下配電網(wǎng)需要接納1.22億kW新能源和分布式電源接入，能適應(yīng)分布式電源15%高滲透率接入。與當前分布式電源接入規(guī)模相比，我國主動配電網(wǎng)的建設(shè)任重而道遠。未來，基于高滲透率的分布式電源接入主動配電網(wǎng)還需擴大示范應(yīng)用的范圍，并重點研究建立虛擬電廠等分布式電源運營管理體系。

微電網(wǎng)在國際上被認為是提高分布式電源利用效率的有效方式[45]。在分布式電源滲透率較高的局部地區(qū)及電網(wǎng)覆蓋不到的偏遠地區(qū)或海島，采用微電網(wǎng)的方式，可以提高配電網(wǎng)對分布式能源的接納能力、解決偏遠地區(qū)的供電問題。微電網(wǎng)需解決多源儲能控制、微網(wǎng)協(xié)調(diào)控制、黑啟動控制、保護配置、經(jīng)濟優(yōu)化調(diào)度等關(guān)鍵問題，是世界各國研究的熱點。全球規(guī)劃以及在建或運營中的微電網(wǎng)項目總裝機容量接近439.3萬kW。目前，我國已開展微電網(wǎng)試點工程14個，如表3所示。

微電網(wǎng)作為促進可再生能源友好接入的一種技術(shù)手段，具有廣闊的發(fā)展前景和市場前景。未來發(fā)展微電網(wǎng)應(yīng)重視可復(fù)制性和商用性，建立微電網(wǎng)評價標準，實現(xiàn)微電網(wǎng)產(chǎn)業(yè)化。

3.3 智能用電技術(shù)

構(gòu)建靈活、互動的智能用電是智能電網(wǎng)的重要任務(wù)，包括信息和電能的雙向互動，鼓勵用戶改變傳統(tǒng)的用電消費方式，積極參與電網(wǎng)運行，實現(xiàn)分布式電源、電動汽車“即插即用”的并網(wǎng)運行方式。目前我國的智能用電實踐以用電信息采集、需求側(cè)管理(demand side management，DSM)、電動汽車充放電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)為主[46]。

表3 我國微電網(wǎng)重點示范工程
Table 3 Key micro grid demonstration projects in China.

用電信息采集系統(tǒng)是實現(xiàn)智能雙向用電的基礎(chǔ)與關(guān)鍵，包括主站、終端及智能電表、通信信道等建設(shè)，實現(xiàn)遠方自動抄表、自助充值、實時用電監(jiān)控、線損監(jiān)測、有序用電管理等功能[47]。我國在用電信息采集的技術(shù)標準規(guī)范方面發(fā)展迅速，在國際上處于領(lǐng)先水平，智能電能表安裝數(shù)量多，覆蓋范圍廣。至2014年底，國家電網(wǎng)公司經(jīng)營區(qū)域內(nèi)累計應(yīng)用智能電能表2.14億個，用電信息采集系統(tǒng)803.6萬套，覆蓋2.2億用戶，采集覆蓋率達51.4%。今后，我國將按照“全覆蓋、全采集、全費控”的建設(shè)要求，全面建成用電信息采集系統(tǒng)，以雙向互動智能電能表為載體，支持未來實時電價機制，支撐用戶信息互動、分布式電源接入、電動汽車充放電等業(yè)務(wù)，并積極推廣電、水、氣、熱“四表合一”采集技術(shù)[48]。

需求側(cè)管理涵蓋分時電價、削峰填谷、節(jié)能技術(shù)等多個方面，基于價格和激勵的需求側(cè)響應(yīng)(demand response，DR)是實現(xiàn)需求側(cè)管理的重要手段之一[49]。我國受電價政策的影響，目前需求側(cè)管理主要手段是有序用電，需求側(cè)響應(yīng)的應(yīng)用僅限于試點，覆蓋范圍小。2013年，國家發(fā)改委將北京、蘇州、佛山、唐山列為電力需求側(cè)管理試點城市。2014年，國家發(fā)改委將上海作為需求側(cè)響應(yīng)試點城市，對主動削減負荷的用戶給予電價補貼，通過實施DR，同年夏季單次最大負荷降幅達到5.5萬kW。目前，在北京、佛山等城市也開展了需求側(cè)響應(yīng)試點，并且首次在江蘇開展覆蓋全省的需求側(cè)響應(yīng)試點。江蘇省需求側(cè)響應(yīng)工程選擇約占高峰負荷30%～50%的空調(diào)作為響應(yīng)負荷，2015年完成1 162棟樓宇、62萬kW空調(diào)負荷的響應(yīng)控制，在2015年夏季單次最大削減負荷達14.18萬kW。DR負荷作為可調(diào)度負荷在電力系統(tǒng)中的價值將隨著不可調(diào)度機組比例提高而增大。隨著《關(guān)于進一步深化電力體制改革的若干意見》(中發(fā)﹝2015﹞9號，以下簡稱《9號文》)及其配套政策的出臺，以價格/激勵型為主導(dǎo)的需求響應(yīng)或?qū)⒊蔀槲覈鉀Q電力供需矛盾與間歇式能源功率平衡的重要途徑。

電動汽車作為我國低碳經(jīng)濟、新能源利用的重點發(fā)展方向，已納入我國新能源七大新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)[50]。目前，我國按照“主導(dǎo)快充、兼顧慢充、引導(dǎo)換電、經(jīng)濟實用”的原則，科學有序建設(shè)充換電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)。在換電模式方面主要應(yīng)用于公共服務(wù)類商用車和乘用車，其中商用車換電已在北京、天津、南京、青島等城市成功實現(xiàn)商業(yè)運行。在直流充電方面，我國充電機功率密度和充電效率相對較低，體積較大，與國外先進水平有一定差距，在交流充電方面與國外先進水平相當。目前我國沒有形成獨立的充電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)運營商，而美國、歐洲已經(jīng)出現(xiàn)較大型的專業(yè)充電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)運營商。至2014年底，我國電動汽車保有量已超過12萬輛，僅次于美國、日本，居世界第三，建成電動汽車充換電站723座、交流充電樁2.89萬臺，建成沿京滬、京港澳、青銀高速的“兩縱一橫”高速公路快充網(wǎng)絡(luò)，形成世界上最大的電動汽車充換電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)。隨著未來電動汽車的規(guī)模化應(yīng)用，需重點研究開發(fā)電動汽車單向有序(timed charging，TC；vehicle in with logic,V1G)、雙向有序(vehicle-to-grid，V2G)不同充放電模式下充放電站的實現(xiàn)技術(shù)，充放電與電網(wǎng)控制調(diào)度的能源與信息交互技術(shù)，電動汽車非接觸式充電及接口技術(shù)，基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的充換電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)商業(yè)運營模式[51]。

3.4 配用電綜合示范工程

為了全面展示和驗證智能配用電技術(shù)，支撐我國“智慧城市”及“新能源示范城市”建設(shè)，我國建成了一批智能配用電綜合示范工程。至2014年底，國家電網(wǎng)公司已建成上海世博園、中新天津生態(tài)城(一期)、揚州開發(fā)區(qū)、江西共青城等9個智能電網(wǎng)綜合示范工程，正在建設(shè)北京延慶、天津生態(tài)城(二期)、寧夏銀川開發(fā)區(qū)、上海虹橋商務(wù)區(qū)等18個智能電網(wǎng)綜合示范工程。

中新天津生態(tài)城智能電網(wǎng)綜合示范工程是我國智能電網(wǎng)標志性的綜合示范工程，總占地面積約34 km2，規(guī)劃人口約35萬人。一期工程于2011年9月建成投運，包含12個子項，已穩(wěn)定運行4年，園區(qū)的電能質(zhì)量、供電可靠性與安全性得到了大幅的提高，生態(tài)城供電可靠率可達99.999%，電壓合格率可達100%，綜合線損率降低1.18%，能源供應(yīng)更加可靠。生態(tài)城每年減少1 074 t燃油消耗，節(jié)約標煤 5 930 t，每年可減少CO2排放18 488 t，節(jié)能減排效果顯著。中新天津生態(tài)城二期工程于2014年開始建設(shè)，旨在建成具備國際影響力的智能電網(wǎng)創(chuàng)新示范基地，全面展示 “能源互聯(lián)、信息互通”的核心特征，二期工程包含能源互聯(lián)網(wǎng)優(yōu)化配置網(wǎng)絡(luò)和信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)兩大板塊，共6個子項[52]。

依據(jù)國家能源局配電網(wǎng)建設(shè)改造行動計劃(2015—2020年)，“推動智能互聯(lián)，打造服務(wù)平臺”將作為未來配電網(wǎng)改造與建設(shè)的重點任務(wù)之一。2015—2017年，國家電網(wǎng)公司還將規(guī)劃建設(shè)蘇州工業(yè)園區(qū)、北京亦莊、山西大同等15個智能配電網(wǎng)綜合示范工程。

4 智能調(diào)度控制系統(tǒng)

調(diào)度系統(tǒng)是整個智能電網(wǎng)運行控制的神經(jīng)中樞，我國智能電網(wǎng)在調(diào)度領(lǐng)域的建設(shè)重點是基于D5000統(tǒng)一平臺的各級主調(diào)及備用調(diào)度控制系統(tǒng)，調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，二次安全防護系統(tǒng)等[53]。

智能調(diào)度控制系統(tǒng)將原來調(diào)度中心內(nèi)部的10余套獨立的應(yīng)用系統(tǒng)，橫向集成為由一個基礎(chǔ)平臺和四大類應(yīng)用(實時監(jiān)控與預(yù)警、調(diào)度計劃、安全校核和調(diào)度管理)構(gòu)成的電網(wǎng)調(diào)度控制系統(tǒng)。同時，縱向?qū)崿F(xiàn)國、網(wǎng)、省三級調(diào)度業(yè)務(wù)的協(xié)調(diào)控制，支持實時數(shù)據(jù)、實時畫面和應(yīng)用功能的全網(wǎng)共享。智能電網(wǎng)調(diào)度控制系統(tǒng)在世界上首次研究并實現(xiàn)了滿足特大電網(wǎng)調(diào)度需求的大電網(wǎng)統(tǒng)一建模、分布式實時數(shù)據(jù)庫、實時圖形遠程瀏覽等關(guān)鍵技術(shù)，攻克了多級調(diào)度協(xié)同的大電網(wǎng)智能報警及協(xié)調(diào)控制、全網(wǎng)聯(lián)合在線安全預(yù)警等重大技術(shù)難題，在協(xié)調(diào)安全控制、統(tǒng)籌經(jīng)濟調(diào)度和縱深安全防護方面已達到國際領(lǐng)先水平[54]。

我國自2009年開始建設(shè)智能調(diào)度控制系統(tǒng)的試點工程，至2014年底，國家電網(wǎng)公司全面建成基于D5000平臺的國(分)調(diào)、27家省級調(diào)度以及288套地區(qū)級電網(wǎng)調(diào)度控制系統(tǒng)。至2014年底，基于分層虛擬專用網(wǎng)(virtual private network，VPN)的調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)骨干網(wǎng)雙平面全面覆蓋各級調(diào)度，調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)規(guī)模達43 375個節(jié)點。全網(wǎng)安裝PMU設(shè)備2 301套，500 kV以上變電站覆蓋率達98.6%，建立了世界上規(guī)模最大的電網(wǎng)動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。研發(fā)并應(yīng)用分布式備調(diào)核心技術(shù)，建成32家省級以上、199家地調(diào)備用調(diào)度系統(tǒng)協(xié)調(diào)運作的分布式特大型備調(diào)系統(tǒng)。

未來在智能電網(wǎng)調(diào)度控制系統(tǒng)的建設(shè)方面，我國還需要提升交直流混聯(lián)大電網(wǎng)特性認知能力，增強清潔能源運行控制水平和消納能力，加強適應(yīng)電力市場環(huán)境的調(diào)度技術(shù)手段建設(shè)，提升變電站與調(diào)度間的互動映射水平，提升配電網(wǎng)調(diào)控運行水平。

5 通信信息支撐平臺

信息通信技術(shù)是智能電網(wǎng)發(fā)電、輸電、變電、配電、用電、調(diào)度六大環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)支撐技術(shù)，智能電網(wǎng)建設(shè)對通信信息網(wǎng)也提出了更高的要求[55]。

5.1 通信網(wǎng)

在傳輸網(wǎng)方面，國家電網(wǎng)公司已建成世界上最大的電力專用通信網(wǎng)絡(luò)，形成了以光纖為主，微波、載波等多種通信方式并存，分層分級自愈環(huán)網(wǎng)為主的體系架構(gòu)，其應(yīng)用水平處于國際先進水平。至2014年底，國家電網(wǎng)公司骨干通信網(wǎng)光纜總長度101.1萬km，220 kV以上變電站基本達到雙回光纜通道覆蓋，110 kV及以上變電站實現(xiàn)100%光纖通信覆蓋，省際光傳送網(wǎng)(optical transport network，OTN)最大傳輸速率達到400 Gbit/s，省際同步數(shù)字系列(synchronous digital hierarchy，SDH)傳輸網(wǎng)最大速率達到10 Gbit/s，已形成雙骨干傳輸網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)[56]。

在通信接入網(wǎng)方面，由于我國配電自動化建設(shè)起步較晚，光纖通信與無線通信覆蓋率普遍較低，又因行業(yè)對無線通信的安全性認識缺乏一致性，目前無線通信技術(shù)主要用于對實時性、安全性要求較低的業(yè)務(wù)。與國外發(fā)達地區(qū)相比，配電網(wǎng)無線通信傳輸可靠性較低。10 kV通信接入網(wǎng)目前主要采用公用移動通信(GPRS、CDMA)、中壓電力線載波、光纖專網(wǎng)等多種通信方式。至2014年底，建成10 kV通信光纜約9.3萬km，10 kV配電站點光纖覆蓋率A+類、A類和B類區(qū)域分別為78%、55%和22%，無線公網(wǎng)覆蓋率C類和D類區(qū)域分別為76.7%和99.2%。

我國目前通信網(wǎng)整體呈現(xiàn)“骨干網(wǎng)強、接入網(wǎng)弱”的態(tài)勢，未來在骨干通信網(wǎng)方面需要加強資源整合與網(wǎng)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化，持續(xù)提升骨干通信網(wǎng)的傳輸能力、各類業(yè)務(wù)網(wǎng)的承載能力、支撐網(wǎng)的穩(wěn)定能力及一體化管控能力，通過應(yīng)用SDN軟件控制技術(shù)而非新增硬件來達到提升數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)利用率的目的。根據(jù)配用電點多面廣的特點，綜合利用無線公網(wǎng)、無線專網(wǎng)、有源光網(wǎng)絡(luò)、無源光網(wǎng)絡(luò)、寬帶載波等復(fù)合通信技術(shù)，解決實時性、可靠性和基于IP組網(wǎng)等技術(shù)問題，支撐智能配用電系統(tǒng)的應(yīng)用要求[57-58]。

5.2 信息平臺

現(xiàn)階段我國電網(wǎng)企業(yè)信息化進入綜合管理信息化階段，建立了支撐集團化運作的一體化企業(yè)級信息系統(tǒng)，實現(xiàn)了企業(yè)生產(chǎn)管理信息的縱向貫通和橫向集成[59]。

以國家電網(wǎng)公司為例，信息通信網(wǎng)絡(luò)已發(fā)展成為依托于電網(wǎng)的立體化多層級網(wǎng)絡(luò)，在國內(nèi)中央企業(yè)信息化建設(shè)中處于領(lǐng)先地位，建成總部、省(市)兩級數(shù)據(jù)中心，以及北京、上海、西安三地數(shù)據(jù)(災(zāi)備)中心；完成了海量數(shù)據(jù)、電網(wǎng)地理信息系統(tǒng)、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、統(tǒng)一視頻、統(tǒng)一權(quán)限、統(tǒng)一開發(fā)、大屏可視化等平臺建設(shè)工作；建成信息安全主動防御體系；開展了柔性支撐能力更強的“軟硬件資源池”、“公共數(shù)據(jù)資源池”、“應(yīng)用資源池”三大資源池建設(shè)工作。一體化平臺承載能力大幅提升，業(yè)務(wù)應(yīng)用全面覆蓋人力、財務(wù)、物資以及規(guī)劃、檢修、建設(shè)、運行、營銷管理體系核心業(yè)務(wù)和智能電網(wǎng)建設(shè)各個環(huán)節(jié)，有效支撐企業(yè)數(shù)據(jù)共享與業(yè)務(wù)融合。

“十三五”期間，我國將重點加強大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)等新技術(shù)對智能電網(wǎng)創(chuàng)新發(fā)展的推動作用，建設(shè)大數(shù)據(jù)平臺、云計算平臺和移動應(yīng)用平臺，實現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部各專業(yè)、各類型數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理與共享交換，建設(shè)具有大數(shù)據(jù)處理能力的企業(yè)管理云、公共服務(wù)云和生產(chǎn)控制云，為企業(yè)內(nèi)部員工和社會大眾提供統(tǒng)一的服務(wù)入口。

6 結(jié) 語

我國的智能電網(wǎng)建設(shè)一直以來以電網(wǎng)公司為主導(dǎo)，隨著2014年習近平總書記提出能源革命、創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展的國家戰(zhàn)略方向，政府層面密集出臺了《關(guān)于智能電網(wǎng)發(fā)展的指導(dǎo)意見》、《國務(wù)院關(guān)于積極推進“互聯(lián)網(wǎng)+”行動的指導(dǎo)意見》、《智能電網(wǎng)重大工程》等一系列推進智能電網(wǎng)建設(shè)的政策措施，智能電網(wǎng)發(fā)展迎來政府、發(fā)電企業(yè)、用戶、電網(wǎng)企業(yè)、裝備及其他行業(yè)共贏的局面，面臨前所未有的戰(zhàn)略機遇。未來我國將重點突破大容量儲能技術(shù)、高電壓網(wǎng)絡(luò)化的柔性直流技術(shù)，深化智能輸變電技術(shù)，提升大規(guī)?？稍偕茉床⒕W(wǎng)接納技術(shù)，以電力體制改革為契機重點發(fā)展智能配用電技術(shù)，加強通信信息對智能電網(wǎng)的支撐技術(shù)。同時應(yīng)依托示范工程開展電動汽車智能充電服務(wù)、可再生能源發(fā)電與儲能協(xié)調(diào)運行、智能用電一站式服務(wù)、虛擬電廠等重點領(lǐng)域的商業(yè)模式創(chuàng)新，營造智能電網(wǎng)產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的良好環(huán)境。

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(編輯 景賀峰)

A Review on Development Practice of Smart Grid Technology in China

SONG Xuankun1, HAN Liu1, JU Huangpei2, CHEN Wei1, PENG Zhuyi1, HUANG Fei1

(1. State Power Economic Research Institute, Beijing 102209, China;2. Tianjin University, Tianjin 300072, China)

Smart grid has become an inexorable trend of energy and economy development worldwide. Since the development of smart grid was put forward in China in 2009, we have obtained abundant research results and practical experiences as well as extensive attention from international community in this field. This paper reviews the key technologies and demonstration projects on new energy connection forecast, energy storage, smart substation, disaster prevention and reduction for power transmission lines, flexible DC transmission, distribution automation, distributed generation access into micro grid, smart power consumption, the comprehensive demonstration of power distribution and utilization, smart power dispatching and control system, communication network and information platform in China, systematically, on the basis of 5 fields, i.e., renewable energy integration, smart power transmission and transformation, smart power distribution and consumption, smart power dispatching and control system and information and communication platform. Meanwhile, it also analyzes and compares the developmental level of similar technologies abroad, and provides an outlook on the future development trends of various technologies.

smart grid; renewable energy; smart power transmission and transformation; smart power distribution and consumption; smart power dispatching and control system; information and communication platformsmart grid

TM 727

A

1000-7229(2016)07-0001-11

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.07.001

2016-03-01

宋璇坤(1959)，女，教授級高級工程師，主要研究方向為電力系統(tǒng)分析與控制、智能電網(wǎng)評價與設(shè)計等；

韓柳(1975)，女，碩士，教授級高級工程師，主要研究方向為新一代智能變電站、智能電網(wǎng)評價與設(shè)計等；

鞠黃培(1995)，男，大學本科，主要研究方向為電力系統(tǒng)分析與控制及智能電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃等；

陳煒(1985)，男，博士，工程師，主要研究方向為新能源電力系統(tǒng)及智能電網(wǎng)評價與設(shè)計等；

彭竹弈(1989)，女，碩士，工程師，主要研究方向為電力系統(tǒng)分析與控制、智能電網(wǎng)評價與設(shè)計等；

黃飛(1991)，男，碩士，工程師，主要研究方向為電力系統(tǒng)分析與控制、智能電網(wǎng)評價與設(shè)計等。